基于Altair OptiStruct的复合材料优化技术
OptiStruct优化技术在汽车顶棚设计中的应用
OptiStruct优化技术在汽车顶棚设计中的应用作者：王宇强回凡1 引言汽车设计的轻量化已经成为了设计过程中必不可少的因素之一，并且贯穿在汽车设计的整个流程中。
车身的每一个部件，无论白车身还是汽车装饰部件都会有减重的要求。
带有天窗的汽车顶棚一般是在车型设计完成，甚至投产后才进行开发。
因此这种汽车顶棚的设计局限性更大。
既要考虑到天窗的外观与制造，又不能对车身刚度造成影响。
此外，还有对车顶棚的减重的要求。
设计难度十分大，采用原始的设计手段需要经过大量的测试才能完成设计，造成大量人力、物力的浪费。
通过仿真优化技术可以大大缩短设计周期，减少实验次数，同时在不牺牲车身刚度的前提下，达到质量的最小化。
本文通过有限元优化软件OptiStruct 的尺寸优化功能，对某车型全景天窗型车顶棚的优化过程进行了分析研究。
2 优化模型简介本款汽车顶棚的原始模型为封闭汽车顶棚，为了适应市场需要，提高产品竞争力，新式顶棚设计为全景天窗式顶棚。
本次优化设计的目标是以全景天窗式顶棚为基本模型进行优化，在不牺牲车辆结构刚度的前提下达到质量最小化的目的。
具体判断条件有两个：第一，顶棚总成的第一阶频率不低于基本模型；第二，整车模型扭转刚度不低于原始设计。
这两个条件也是优化设计的约束条件。
优化目标为质量最小。
由于整车模型规模较大，计算时间过长，所以整车模型扭转刚度不低于原始设计不适于作为优化的约束条件。
因此我们选用顶棚总成的第一阶频率作为约束条件。
综上所述，优化模型简化为顶棚总成及一部分白车身。
3 优化问题描述有限元优化模型包括结构件和天窗。
结构件材料为铁，天窗的材料为玻璃。
优化模型有几种备选材料：结构件可以选择铁、铝(Aluminum)、SMC 或LIF37；天窗材料可以选择玻璃或聚碳酸酯（Polycarbonate）。
因此可以得到8 种材料组合，如表1：Glass/ Steel 材料组合为原始模型，选用其他密度比较小的材料可以有效减轻质量，但是结构刚度也会相应收到影响。
102_基于OptiStruct太阳翼基板结构优化设计_盛聪
图 4 有限元模型
2.3 概念设计阶段——自由尺寸优化
优化设计有三要素，即设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是在优化过程中发生改
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Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
变从而提高性能的一组参数。目标函数就是要求的最优设计性能，是关于设计变量的函数。约 束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求。 优化问题的数学模型可描述为： 选择一组可变化的设计变量 x x1， x2 ,， xN ，在满足下列约束条件下
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Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
1
太阳翼基板经验设计方案
1.1 太阳翼结构简介
某卫星平台采用两翼对称一次展开太阳翼结构。卫星太阳电池阵由两个太阳翼组成，单翼 机械部分包含基板、连接架、压紧释放机构、展开锁定机构及阻尼机构等。 每翼包含两块基板，单板尺寸为 2360×1900mm，每块太阳电池板上有 6 个压紧点。
图 1 太阳翼网格面板铺层
1.3 模态分析结果
设计完成后，对太阳翼进行校核分析计算，太阳翼模态分析一阶频率为 48Hz，一阶振型 如图 2 所示。
图 2 经验设计方案太阳翼1阶振型
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Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
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太阳翼基板结构优化设计方案
2.1 优化方法
OptiStruct 软件是以有限元法为基础的结构优化设计工具，它提供拓扑优化、形貌优化、 尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化各种优化功能[6]。OptiStruct 中采用最速下降 法进行结构优化设计，具有计算速度快、方向性强的优点。 基于 OptiStruct 优化设计方法的复合材料结构优化设计包括三个阶段： (1) 概念设计阶段——自由尺寸优化（Free Sizing） 只考虑全局的响应和非强制的制造约束，利用 OptiStruct 中的自由尺寸优化模块找出板壳 结构上每个区域（单元）的不同角度层（超级层）的最佳厚度，确定复合材料结构的材料分布， 最后以铺层块的方式给出结果。 (2) 系统设计阶段——尺寸优化(Sizing) 考虑所有的设计响应和非强制的制造约束，利用 OptiStruct 中的尺寸优化模块得到复合材 料结构每个铺层块各单层的厚度，确定规定角度下的铺层数，确立基本的铺层结构。 (3) 详细设计阶段——铺层顺序优化(Shuffling) 考虑所有的状态响应和制造约束， 利用 OptiStruct 中的 Shuffling 功能得到复合材料结构的 铺层顺序。 对于蜂窝板，由于面板的厚度相对于蜂窝的厚度较小，面板的铺层顺序对于蜂窝板的力学 性能影响很小，所以不需要对面板的铺层顺序进行优化。本文主要利用 OptiStruct 在限定铺层 角度下依次优化设计太阳翼基板面板的铺层块和铺层数。为了简化制造工艺和优化设计的分析 工作，经验设计方案中太阳翼基板单向层以 0o 和 90o 为主，因此假定太阳翼基板单向层的纤维 方向角只有 0o 和 90o 两种。优化过程如图 3 所示。
OPTISTRUCT介绍
基于OptiStruct的结构优化设计方法2008-07-18 16:37摘要：最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术已逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。
本文总结了OptiStruct结构优化设计方法和特点，从优化设计三要素、迭代算法、灵敏度分析等方面阐述了基于有限元法的OptiStruct结构优化的数学基础，给出了OptiStruct结构优化设计流程和步骤。
关键词：结构优化，设计流程，有限元优化设计是以数学规划为理论基础，将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学理论，以计算机和应用软件为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。
有限元法（FEM）被广泛应用于结构分析中，采用这种方法，任意复杂的问题都可以通过它们的结构响应进行研究。
最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。
Altair OptiStruct是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球先进的优化技术，提供全面的优化方法。
OptiStruct从1993年发布以来，被广泛而深入地应用到许多行业，在航空航天、汽车、机械等领域取得大量革命性的成功应用，赢得多个创新大奖。
一、OptiStruct结构优化方法简介OptiStruct是以有限元法为基础的结构优化设计工具。
它提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化，这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。
概念设计优化――用于概念设计阶段，采用拓扑（Topology）、形貌（Topography）和自由尺寸（Free Sizing）优化技术得到结构的基本形状。
详细设计优化――用于详细设计阶段，在满足产品性能的前提下采用尺寸（Size）、形状（Shape）和自由形状（Free Shape）优化技术改进结构。
拓扑、形貌、自由尺寸优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当的修改。
孙九霄_基于OptiStruct的舰用复合材料结构优化设计
基于OptiStruct的舰用复合材料结构优化设计孙九霄谢振兴周俊中国舰船研究设计中心湖北武汉430064摘要：本文介绍了复合材料在国内外船舶设计建造中的应用及复合材料在船舶设计中存在的问题。
采用HyperWorks软件对夹芯复合材料进行结构分析，并对复合材料尺寸和铺层进行优化设计，优化后复合材料的性能得到提升。
关键字：船舶设计复合材料 HyperWorks 结构优化1前言纤维增强树脂基复合材料是一种理想的结构/功能材料，具有传统材料无法比拟的优良综合性能。
近年来复合材料凭借其优异的比强度、比刚度、抗疲劳性能和耐久性在舰船中得到了广泛的应用，已形成独特的纤维增强树脂舰船材料、设计与制造技术。
材料成型一体化是复合材料的区别于传统材料的一大特点，而这也使得复合材料设计及优化变的尤为重要。
复合材料的结构设计及优化是一项基础性和应用性很强的工作，其最终目的是将结构设计的更合理、成本更低、工艺性更好且更安全可靠。
2 复合材料在海军舰船中的应用情况目前复合材料在海军上的应用非常广泛，但是很久以来这些应用仅局限于一些小型船只和一些次要的舰艇结构。
二战以后，复合材料首次在美国海军的一些小型客运舰艇上得到应用。
在实际应用时，发现这些舰艇有很多优点，如强度大、刚度大、持久耐用而且易于维修，因此，在上世纪40年代到60年代，复合材料在美国海军中的应用迅速增加。
在越南战争期间，应用复合材料的客运舰艇、内河巡逻艇、登陆舰和侦察艇等各种舰船数量达3000艘。
美国海军还将复合材料应用在小型舰艇上的舱面船室、通讯舰艇的桅杆、驱逐舰的管道系统、潜艇的流线型指挥台外壳和铸件。
表1列举了二战和越南战争期间复合材料在海军方面的应用。
表1二战和越南战争期间复合材料在海军方面的应用扫雷艇（15.5米长）登陆侦察艇（15.8米）登陆舰（15.2米）内河巡逻艇客运舰艇（7.9米）领航艇木船罩潜艇流线装置潜艇声纳罩潜艇无压浇注船体潜艇尾翼小型舰艇船室桅杆和桅杆覆盖物天线屏蔽罩方向舵天线绝缘管道罐（燃料、润滑油、水）管道系统鱼雷发射管船员掩蔽所舱口盖绳索防护装置自上世纪50年代，复合材料开始在其他国家海军的舰艇和潜艇上得到应用。
46_宋起龙_基于OptiStruct的某车型扭力梁强度分析及优化
基于OptiStruct的某车型扭力梁强度分析及优化Strength Analysis and Optimization of a Type of Torsion Beam Based on OptiStruct宋起龙（东风汽车公司技术中心、武汉、430058）摘要:扭力梁作为后悬架的主要承载件，其强度直接影响后悬架甚至整车的承载能力，本文以某车型的扭力梁强度分析为例，针对样车耐久试验过程中出现的问题，采用有限元软件HpyerWorks软件，建立了扭力梁有限元模型，采用多体动力学载荷分解获取了扭力梁7中典型工况下底盘连接点初的力和力矩，进行了强度分析，得出了应力集中位置，提出了方案的优化建议，新方案经过试验验证，满足使用要求。
关键词: 有限元扭力梁强度HpyerWorksAbstract: As the main load of the rear suspension, the torsion beam directly affects the load-carrying capacity of the rear suspension and even the whole vehicle, In this paper, The finite element model of torsion beam is established by using finite element software HpyerWorks, The force and moment at the connection point of the chassis under typical working conditions of torsion beam 7 are obtained by multi body dynamic load decomposition, The new scheme has been tested and proved to meet the application requirements.Key words: FEM, Wrest beam, strength, HpyerWorks1 概述扭力梁是汽车上的一个重要的承载件，能够承载来自减震器、弹簧、车身、地面等周边的冲击，起到缓解冲击力的作用。
基于Altair OptiStruct的复合材料优化技术
、
各 个 阶段 的方 法 及 结 果
基 ~ A lt a i r O p t iS
口 澳 汰 尔 工 程 软 件 (上 海 )有 限 公 司 洪 清 泉 邬 旭 辉
t r u c t 的 复 合 材 料 优 化 技术
一
、
概述
i
r
应
r u c
，
如位移
、
、
速度
、
、
加速度
、
应力
、
、
构件优 化方 面
经 非 常成 熟
、
包 括拓
、
数等
，
方 便 用 户 对 整个 优 化 过 程 进 行
B 复 合 材 料 以 其 比强 度／ e 模
,
扑优化
形 貌优化
、
尺 寸优化
形状
。
控制
，
确 保 优 化 结 果 便 于 加 工 制造
，
量高
、
耐 腐蚀
、
抗疲劳
，
、
减震及 破损
优 化 以 及 自 由尺 寸 和 自 由形 状 优 化
这 些方法 可 以对静 力
，
配 体 相 关 的任 务 平 均 快 2 6 倍 以 上
大
d P a k 和选 择 性 地 载 入 某张 工 程 图
，
从 而 引 导 他 们 获 得 更 好 的设 计
型 工 程 图 的性 能快 6 倍 以 上
日常工
：
而 那些在
图样等功能
能够帮助 用 户显 著减少
。
。
我 们 推 出 的新 工 具 可 以 前 瞻 性
，
如图3所示
。
年第9 期
35
OptiStruct复合材料优化设置
1.做完复合材料结构的自由尺寸优化后可根据优化结果自动生成各角度铺层块
的形状，默认的是一个角度由4个铺层块叠加而成，可不可以更改这个数值，变成3个或2个？
OUTPUT,FSTOSZ,YES,3，或者
OUTPUT,FSTOSZ,YES,2
在FEM文件中的OUTPUT卡片为：
OUTPUT,FSTOSZ,YES,VALUE
OUTPUT表示优化后生成*.sizing.fem文件（*表示自由尺寸设计中的文件名）；FSTOSZ表示“FreeSize to Size”；YES表示激活该输出设置；VALUE表示设置的铺层组个数，缺省为4。
在了解了FEM中的卡片含义后，用户可以根据需要在fem文件中自定义铺层组数。
自由尺寸设计中的制造约束自动包含在*.sizing.fem文件中。
2.复合材料中自由尺寸优化可以设定超级层，比如教程中一般设定为0°，45°，-45°和90°
四个超级层，自由尺寸优化后会自动将每个超级层拆分为4个子层。
如果我想将每个超级层拆分为6个或其他数量的子层该怎么设置呢？
OUTPUT,FSTOSZ,YES,6
在OUTPUT中设置
可以hw90後針對複材可進行疊層方向+拓樸+疊層厚度進行優化
但目前相當不方便使用
9.0可以支持复合材料的拓扑优化。
9.0不仅可以做
而且很方便
2Dpage里面有个hyperlaminate面板（要选对模板才有）
专门做复合材料优化的。
OptiStruct优化教程
SUV车驾的轻量化开发
新车架
质量减少: 20% 扭转刚度增加: 31% 焊缝长度降低: 50%
原车架
11
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Torsion Links的优化流程
优化定义
• 形状优化: 是根据预先设定的形状变量改变结构的形状，来寻求最佳的形状
的一种自动化方法。
• 尺寸优化: 是改变结构参数(厚度，１Ｄ属性，材料属性等)来寻求最优设计
的一种自动化的方法.
• Gauge: 是尺寸优化的特例，设计变量是２Ｄ属性 (Pshell 或 Pcomp) • 自由形状: 是通过自由移动一组边界节点来更改结构形状，寻求最佳形状的
Optimization 术语
• 设计变量: 在优化系统性能过程中，所需 改变的系统参数。
• 设计空间: 优化流程中可以设计更改的部 分。例如，在拓扑优化中，位于设计空间 内的材料。
20 < b < 40 30 < h < 90
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k, c
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F
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OptiStruct 优化概览
Airbus将澳汰尔的优化技术集成到设计流程中
Airbus将澳汰尔的优化技术集成到设计流程中作者：Altair一概述Altair公司的拓扑优化技术很久以来已经在汽车行业获得了非常成功的应用，但是该技术仅仅在2003年空中客车A380——世界上最大的飞机的设计中才展现出其在飞机部件设计中的强大力量。
这种延误的主要原因可以归结为：飞机部件的大尺寸以及飞机设计中非常复杂的边界和载荷条件。
同时，飞机部件主要涉及稳定性设计，而以应变能为基础的拓扑优化技术缺少处理一些屈曲问题的能力。
而拓扑优化与尺寸和形状优化的结合使用则能起到非常好的效果。
二空客及其供应商面临的严峻挑战在民用航空工业中，减轻设计重量和缩短设计周期是两个非常突出的问题，传统的飞机设计思路已经无法满足这种需求，这需要将先进的计算机优化方法集成到全部部件的设计过程中。
在2003年，空中客车公司的供应商BAE SYSTEMS首先应用Altair的优化工具——OptiStruct来设计更轻巧更有效的航空部件。
首批设计的部件包括机翼前缘肋、主翼盒肋、不同类型的机翼后缘支架以及机身门档和机身门交叉肋板。
对于这些部件的优化设计，在很大程度上要考虑到对屈服性能的要求，同时还要考虑应力和刚度方面的要求。
三空客的项目介绍这个项目是由Altair公司、Airbus公司和BAE SYSTEMS公司三方技术人员共同应用OptiStruct拓扑优化方法设计的第一个航空部件。
这个项目因为其在减重方面达到的效果及其革命性的技术创新获得了2003年度空中客车公司设立的技术创新金奖。
该项目的目标是应用Altair OptiStruct为Airbus A380——世界上最大的飞机设计一组最优的机翼前缘肋。
最初的设计方案类似于一个坚硬的剪切板，该方案超出了要求极其严格的设计重量标准。
于是，应用拓扑、尺寸、形状优化工具设计并优化一根机翼上13个肋板的工作项目就此产生。
这个项目的进度如此紧张以至于需要在一个星期内完成这13个肋板的优化设计方案。
OptiStruct在织物前罩盖板优化分析中的应用
图1 前罩盖板有限元模型
表1 前罩模型节点数和单元数节点数单元数
图3 合金钢盖板刚度分析位移云图
优化分析
图4 织物盖板前罩刚度分析边界条件
2.尺寸优化
（1）优化性能要求最大位移不超过合金钢前罩图2 金钢盖板前罩刚度分析边界条件
图5 织物盖板监测点区域示意
3）尺寸约束，复材件单层范围为0.5～10mm，金属件单层范围为0.1～10mm。
厚度确定以及铺层方案见表4。
图8 厚度分布
表4 厚度及铺层方案
属性ID材料类型优化厚度/mm最终厚度/mm 7织物材料
0°：4.608
45°：4.746
0°：5
45°：5
图9 织物盖板前罩刚度分析位移云图
结语
通过对织物盖板前罩的拓扑优化，确定了各零部
图6 织物盖板优化设计目标迭代曲线
图7 织物盖板优化设计约束最大违反曲线
2012.。
Altair OptiStruct资料集锦
3.基于Altair OptiStruct的复合材料优化技术.pdf
Altair OptiStruct为金属结构件提供了前所未有的优化手段，在各个行
业取得了大量革命性的应用和创新的工程成果。针对复合材料在航空航 天的广泛应用，Altair OptiStruct提供了全面的、面向工程实际的复合 材料优化技术。
业取得了大量革命性的应用和创新的工程成果。针对复合材料在航空航
天的广泛应用，Altair OptiStruct提供了全面的、面向工程实际的复合 材料优化技术。
6.结构优化技术在飞机设计中的应用.pdf 什么是结构优化技术？ Altair OptiStruct结构优化技术
结构优化设计流程
结构优化技术在飞机设计中的应用
6.基于OptiStruct的薄板屈曲的研究_柯志强
7.OptiStruct在建筑结构优化设计中的应用.pdf 将OptiStruct应用于某一超高层建筑结构方案设计中，通过考察整体结 构在水平荷 载（作用）下的刚度和模态响应，对主要构件截面尺寸、配 钢率等参数进行优化设计，在满足设定要求的前提下，达到合理利用材 料、降低工程造价的目的。应用表明，将此软件应用于结构设计是快速 而有效的。
相关专题： HyperWorks用户大会论文集锦-车辆篇
HyperWorks用户大会论文集锦-航空航天篇
1.hyperworks_optistruct入门教程.pdf
2.Altair optistruct6.0中文优化教程第二天.pdf
3.HyperWorks_11.0官方帮助源文件_hwsolvers_optistruct.rar
4.Altair optistruct 6.0中文优化教程.pdf
5.Altair官方HyperWorks6.0学习演示光盘_OS_Apps_中文.rar Altair官方HyperWorks6.0学习演示光盘_OS_Apps_中文
optistruct复合材料优化算法
optistruct复合材料优化算法
OptiStruct是一种用于结构优化的先进软件工具，可以用于复合材料的优化设计。
OptiStruct使用了一种基于有限元方法的优化算法，可以在给定的设计空间内自动搜索最优解。
对于复合材料的优化设计，OptiStruct可以考虑材料的强度、刚度、疲劳寿命等多个方面的要求，并在给定的约束条件下，自动调整复合材料的层厚度、层角度、层堆叠顺序等参数，以达到最优设计。
具体而言，OptiStruct可以通过以下几个步骤来进行复合材料的优化设计：
1. 定义设计空间：确定复合材料的设计变量，例如层厚度、层角度等。
2. 定义目标函数：确定需要优化的目标，例如最小化结构的重量或最大化结构的刚度。
3. 定义约束条件：确定设计的约束条件，例如最大应力、最大位移等。
4. 运行优化算法：使用OptiStruct的优化算法，在给定的设计空间内搜索最优解。
5. 分析结果：根据优化结果，评估复合材料结构的性能，并根据需要进行进一步的优化或设计修改。
总的来说，OptiStruct提供了一种强大的工具，可以帮助工程师进行复合材料的优化设计，以提高结构的性能和效率。
13_基于OptiStruct的发动机盖的模态分析及优化
基于OptiStruct的发动机盖拓扑优化Topology Optimization Analysis for A New Type ofVehicle Engine Hood付荣荣高鹏飞崔新涛(天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心天津300462）摘要：本文首先对某一款轿车发动机盖总成进行有限元分析，采用OptiStruct对不合格工况进行拓扑优化，结合实际经验进行结构优化改进，验证优化结果得到满足设计要求的结构方案。
关键词:发动机盖拓扑优化变密度法Abstract: The finite element analysis of a hood is performed and topology optimization is conducted by using HyperMesh/OptiStruct to achieve the design target. Taking the design target as the constraints, and taking the minimum volume as the objective, the inner plate was optimized to improve performance based on the element densities and practicality. Finally, the new structure was validated to achieve the design targets.Key words: Hood, Topology Optimization, Variable density1前言发动机盖是车身中的关键部件，其性能直接影响了汽车的NVH性能、碰撞安全性能、防水性、门盖开启方便性及整车外观等。
因此，对汽车发动机盖的模态，刚度、强度进行分析研究及优化显得很有必要。
本文通过有限元分析方法，利用HyperMesh 建立有限元分析模型,采用OptiStruct求解器进行计算求解。
Altair OptiStruct 10.0拓扑优化实例1
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MAT1㨌 ⭼䶒ˈ䇮㖞EѪ2.0E5ˈNuѪ0.34↕僔5デ6.⛩ return⽪˖ ѝⲴḀа亩⋑ 䍻 ˈ ԕ䙊䗷⛩ 䈕䘹亩 ◰⍫ˈ❦ ⽪Ⲵ䗃 ḿѝ䍻 DŽԕк ・Ҷањ Ⲵ steelˈ ѪOptiStruct Ⲵlinear isotropicˈ ∿⁑䟿Ѫ2E+05ˈ⋺ ∄Ѫ0.3DŽ⭡Ҿ ањ㓯 䶉 䰞仈ˈփ〟 ˈ ↔н䴰㾱 DŽն Ⲵ лˈ 享䇮 DŽ ԕ䲿 ⭘card image 䶒 collectorⲴ ⡷ 䘋㹼 DŽ7.⛩ Model 䫞ˈ ⁑ ⍿㿸デ к⛩ 啐ḷ 䭞ˈ〫 ḷ㠣Createˈ◰⍫ Ҽ㓗㨌 䘹 Propertyˈ8. Nameḿ䭞 design_prop9.⛩ card image= 䘹 PSOLID10.⛩ material = 䘹 Steel11.⛩ Create12. к ・ањ ⲴPropertyˈ Nameḿ䭞 nondesign_prop13.⛩ card image= 䘹 PSOLID14.⛩ material = 䘹 Steel15.⛩ Create16.ӾCollectorsⲴл 㨌 ⛩ Assign䘹 Component Propertyˈ 55↕僔16デ17.⛩ Compˈ䘹nondesign, ⛩ select6↕僔17デ18.⛩ property= 䘹 nondesign_prop19.⛩ assign20.䟽 20-22↕ˈ䇮㖞design_prop design21.⛩ returnㅜ3↕˖ 䖭㦧 load collector↕僔䴰㾱 4њ䖭㦧 load collectorˈ ѪSPCǃBrakeǃCorner Potholeˈ н Ⲵ仌㢢ˈ↕僔 л˖1.⛩ Model 䫞ˈ ⁑ ⍿㿸デ к⛩ 啐ḷ 䭞ˈ〫 ḷ㠣Createˈ◰⍫ Ҽ㓗㨌 䘹 LoadCollector2.⛩ name = 䗃 SPC3. Card imageѝ䘹 ѪNone4.⛩ color 䈳㢢 䟼䘹 а⿽仌㢢5.⛩ Create6. кˈ йњ䖭㦧 ˈ 〠 ѪBrakeǃCorner Potholeㅜ4↕˖ 㓖1. 䗩デ ⛩ LoadCollectorsˈ 䭞⛩ SPC ⛩ M ake CurrentˈSPC䇮㖞Ѫ Ⲵ2.ӾAnalysis亥䶒ˈ⛩ Constraintsˈ䘋 ѹ㓖 Ⲵ䶒3.Ӿ䶒 Ⲵ 䫞ѝ䘹 create 䶒4. デ ѝˈ䙊䗷⛩ 䘹 ㇑аㄟⲴ㢲⛩˄ ㄟˈ 7˅ˈ㓖dof1ǃdof2 dof3йњ㠚⭡ ˈdof4ǃdof5 dof6йњ㠚⭡ ⋑ 㓖5.⛩ Createˈ 㓖 ˈ デ ѝ㻛䘹 Ⲵ㢲⛩ ⧠й䀂 㓖 ㅖˈк䗩Ⲵ 123㺘 ⋯x䖤ǃy䖤ǃz䖤 Ⲵ〫 㠚⭡ 㓖7㓖 ㇑аㄟⲴdof1ǃdof2 dof3 йњ㠚⭡6.䘹 ㇑ аㄟⲴ㢲⛩ 㓖 dof 2 dof 3 㠚⭡ ˈ 87.⛩ create DŽ デ ѝ㻛䘹 Ⲵ㢲⛩ ⧠й䀂 㓖 ㅖ ˈк䗩Ⲵ23㺘 ⋯y 䖤ǃz䖤 Ⲵ〫 㠚⭡ 㓖 DŽ8㓖 ㇑ аㄟⲴdof2 dof3 єњ㠚⭡8.⛩ nodes ˈ Ӿ 䘹亩デ ѝ䘹 by id9.䗃 3239 䖖ˈ 䘹 ID Ѫ3239Ⲵ㢲⛩ˈ 9DŽ10.ӵ㓖 dof3DŽ11.⛩ create DŽ デ ѝ㻛䘹 Ⲵ㢲⛩ ⧠й䀂 㓖 ㅖ ˈк䗩Ⲵ3㺘 ⋯z 䖤 Ⲵ〫 㠚⭡ 㓖 DŽ9㓖 ID3239㢲⛩Ⲵdof33239 㢲⛩12.⛩ return䘄 ѫ㨌ㅜ5↕˖ 䖭㦧㢲⛩2699к 䖭йњ⤜・Ⲵ ˈ xǃy z кˈ Ҿbrakeǃcorner potholeйњload collectorDŽ ⭘㺘1ѝⲴ 䖭㦧DŽ փ↕僔 л˖㺘1 Ⲵ䇮Node Id Collector Magnitude Axis2699brake1000x-axis2699corner1000y-axis2699pothole1000z-axis1. 䗩デ ⛩ LoadCollectorsˈ 䭞⛩ Brake ⛩ Make CurrentˈBrake䇮㖞Ѫ Ⲵ2.ӾAnalysis亥䶒ˈ⛩ forcesˈ䘋 ѹ䖭㦧Ⲵ䶒3.⛩ nodes 䘹 by id4.䗃 㢲⛩ 2699ˈ 䖖䭞5.⛩ 䖖䭞magnitude= 䗃 1000.0ˈ 䖖䭞6.⛩ magnitude =л䶒Ⲵ ѹ ˈ 㨌 ѝ䘹 x-axis7.⛩ createˈ 㢲⛩2699Ⲵx䖤 1000 սⲴ䳶ѝ ˈ↔ 㢲⛩2699⧠ањ x Ⲵ㇝ DŽ8.ѪҶ 㿶䖭㦧Ⲵ㺘⽪㇝ ˈ 䘹 uniform size= 䭞 100ˈ 䖖䭞9. 䗩デ ⛩ LoadCollectorsˈ 䭞⛩ Corner ⛩ M ake CurrentˈCorner䇮㖞Ѫ Ⲵ10.⛩ nodes 䘹 by id11.䗃 㢲⛩ 2699ˈ 䖖䭞12.⛩ magnitude= 䗃 1000.0ˈ 䖖䭞13.⛩ magnitude =л䶒Ⲵ ѹ ˈ 㨌 ѝ䘹 y-axis14.⛩ createˈ 㢲⛩2699Ⲵy䖤 1000 սⲴ䳶ѝ15. 䗩デ ⛩ LoadCollectorsˈ 䭞⛩ Pothole ⛩ Make CurrentˈPothole䇮㖞Ѫ Ⲵ16.⛩ nodes 䘹 by id17.䗃 㢲⛩ 2699ˈ 䖖䭞18.⛩ magnitude= 䗃 1000.0ˈ 䖖䭞19.⛩ magnitude =л䶒Ⲵ ѹ ˈ 㨌 ѝ䘹 z-axis20.⛩ createˈ 㢲⛩2699Ⲵz䖤 1000 սⲴ䳶ѝ21.⛩ return Analysis 亥䶒10㢲⛩2699 йњ Ⲵ䖭㦧ㅜ6↕˖ OptiStruct䇮 䗩⭼ Ԧ ѹ DŽ1. Analysis亥䶒䘋 loadsteps 䶒2.⛩ name= 䗃 Brakeˈ 䖖䭞3.⺞䇔typeѪlinear static4.⺞䇔SPC Ⲵ 䘹Ṷ㻛䘹ѝˈ5.⛩ Ⲵ ⴞ Ӿload collectors 㺘ѝ䘹 spc6.⺞䇔LOAD Ⲵ 䘹Ṷ㻛䘹ѝˈ⛩ Ⲵ ⴞ Ӿload collectors 㺘ѝ䘹 brake7.⛩ createˈањOptiStruct brake 㓿 ˈ䈕 Ⲵ㓖 ⭡loadcollectorѝⲴspc ˈ ⭡load collectorѝⲴbrake8. ṧ↕僔 ѹCorner Pothole9.⛩ return Analysis⭼䶒HyperMeshѝ䇮㖞Optimizationㅜ7↕˖Ѫ Ո ѹ䇮䇑 䟿1. Analysis亥䶒䘹 optimization䶒2.䘹 topology䶒3.Ӿ䶒 Ⲵ 䫞ѝ䘹 create 䶒4.⛩ DESVAR= 䗃 design_prop, 䖖䭞5.⛩ props 䘹 design_propˈ⛩ select6.䘹 type: PSOLID7.⛩ Createˈ ѹҶањ Ո Ⲵ䇮䇑オ䰤design_propˈ PropertycollectorѝⲴ Ѫdesign_propⲴ ⧠ 䜭 䇮䇑オ䰤ѝ8.⛩ return䘄 optimization䶒ㅜ8↕˖ ѹ䘉њՈ 䰞仈ѝˈⴞḷ փ〟Ⲵ ˈ㘼㓖 Ⲵ2699 㢲⛩Ⲵս〫DŽ єњ ˖ањ ⭘Ҿ ѹⴞḷⲴփ〟 ˈ ањ ս〫 DŽ ⽪˖⭡Ҿйњ䖭㦧 䜭 ⭘ Ⲵ㢲⛩ս〫 Ѫ ˈ ԕ 䴰㾱 ѹањս〫 DŽ1.䘹 responses䶒2.⛩ response = 䗃 volDŽ3.⛩ ㊫ response type 㨌 ѝ䘹 volume4.⺞䇔regional/total㖞Ҿtotal˄唈䇔 ˅ˈ5.⛩ createDŽ⁑ Ⲵփ〟 vol 㻛 ѹ6.⛩ response = 䗃 disp17.⛩ response type 㨌 ѝ䘹 Static displacementDŽ8.⛩ nodes Ӿ Ⲵ 亩䘹 㨌 ѝ䘹 by IDDŽ9.䗃 2699 䖖DŽ йњ Ⲵ㢲⛩㻛䘹10.䘹 total dispDŽ䘉 xǃyǃzйњ ḷ䖤 Ⲵ ս〫DŽ11.⛩ createDŽ㢲⛩2699Ⲵ ս〫 disp1 㻛 ѹDŽ12.⛩ return䘄 optimization䶒 DŽㅜ9↕˖ ѹⴞḷѝⴞḷ ѹⲴvol փ〟 DŽ1. optimization䶒 ˈ䘹 objective 䶒2.⛩ objective䶒 к䀂Ⲵ䖜 䫞ˈӾ 㨌 ѝ䘹 min3.⛩ response =ˈ Ӿ 㺘ѝ䘹 Vol4.⛩ create5.⛩ return䘄 optimization䶒 DŽㅜ10↕˖ ѹ䇮䇑㓖⇿ањ ˈ ѹⲴ ս〫 disp1 ањкл䲀㓖 DŽ1. optimization䶒 䘹 dconstraints 䶒2.⛩ constraint = 䗃 constr13.⺞䇔upper bound =㻛䘹ѝˈ4.⛩ upper bound = 䗃 0.055.⛩ response = 㺘ѝ䘹 disp16.⛩ loadstepsˈ䘹 brake7. ⛩ select8.⛩ createbrakeˈ disp1к ѹҶањк䲀Ѫ0.05Ⲵ㓖 DŽ9.⛩ constraint = 䗃 constr210.⺞䇔upper bound = 㻛䘹ѝˈ11.⛩ upper bound = 䗃 0.0212.⛩ response= 㺘ѝ䘹 disp113.⛩ loadstepsˈ䘹 corner14.⛩ createcornerˈ disp1к ѹҶањк䲀Ѫ0.02Ⲵ㓖 DŽ15.⛩ constraint = 䗃 constr316.⺞䇔upper bound = 㻛䘹ѝˈ17.⛩ upper bound = 䗃 0.0418.⛩ response = 㺘ѝ䘹 disp119.⛩ loadstepsˈ䘹 pothole20.⛩ create21.⛩ returnє⅑䘄 ѫ㨌potholeˈ disp1к ѹҶањк䲀Ѫ0.04Ⲵ㓖 DŽㅜ11↕˖ỰḕOptiStruct䗃㹼≲䀓 ˈOptiStruct ԕ ⁑ 䘋㹼ṑ傼ˈԕ䇴ՠ⁑ 䇑㇇ 䴰㾱Ⲵ⻱ⴈオ䰤ԕ DŽ ṑ傼䘀㇇ѝˈOptiStructҏՊỰḕ 㹼 Ո 䴰Ⲵ ˈ ⺞ 䘉Ӌ нՊ ケDŽ1. Analysis亥䶒䘹 OptiStruct 䶒2.⛩ input file: ḿ Ⲵsave as…ˈ Save file… 䈍Ṷ3.䘹 ањ⭘ OptiStruct ԦⲴⴞ ˈ File name:ḿѝ䗃 ⁑ Ԧcarm_check.femˈ4.⛩ SaveDŽ.5.fem ԦⲴ ѪOptiStruct䗃 ԦⲴ 㦀 DŽ ⌘carm_check.femⲴ Ԧ ս㖞 ⽪ input file: ḿѝ6.⛩ export options: 䖜 䫞ˈ䘹 all7.⛩ run options:䖜 䫞ˈ䘹 check8.⛩ memory options: 䖜 䫞ˈ䘹 memory default9.⛩ OptiStruct䘉ṧ ҶOptiStructỰḕ䘀㇇ˈа 䗷〻㔃 ˈ ԕ ⲴDOS UNIXデ ѝˈⴻ carm_check.out ԦⲴ ˈ Ԧ䇮㖞Ⲵ ǃՈ 䰞仈Ⲵ䇮㖞ǃ 䘀㹼䇑㇇ 䴰㾱Ⲵ ⺜ⴈオ䰤 Ⲵՠ䇑ǃՈ 䘝ԓ 䇑㇇ 䰤Ⲵ ˈҏ 㜭ⴻ 䆖 䭉䈟 DŽՈ 䰞仈 ・ ↓⺞ˈ䈧ḕⴻcarm_check.out ԦѝⲴOptimization Problem Parameters䜘 DŽⴞḷ ↓⺞ˈ䈧ḕⴻcarm_check.out ԦѝⲴOptimization Problem Parameters䜘 DŽ㓖 ↓⺞ˈ䈧ḕⴻcarm_check.out ԦѝⲴOptimization Problem Parameters䜘 DŽ䏣 Ⲵ⺜ⴈオ䰤䘀㹼Ո ˈ䈧ḕⴻcarm_check.out ԦѝDisk Space Estimation Information䜘 DŽㅜ12↕˖䘋㹼Ո ≲䀓䇑㇇1. Analysis亥䶒䘹 OptiStruct 䶒2.⛩ input file: ḿ Ⲵsave as…ˈ Save file… 䈍Ṷ3.䘹 ањ⭘ OptiStruct ԦⲴⴞ ˈ File name:ḿѝ䗃 ⁑ Ԧ arm_check.femˈ4.⛩ SaveDŽ.5.⛩ run options:䖜 䫞ˈ䘹 optimization.6.⛩ OptiStructˈ䘋㹼≲䀓≲䀓㔃 ˈDOSデ ⧠Ā…Processing completeā DŽ ⁑ 䭉䈟ˈOptiStructҏՊ ⽪ 䭉 ↔ carm_complete.out Ԧѝˈ փ 䙊䗷 Ԧ㕆䗁 ḕⴻDŽ≲䀓䗷〻ѝˈ䖟Ԧ㠚 ⭏ ԕл Ԧ˖carm_complete.resˈcarm_complete.hgdataˈcarm_complete.outˈcarm_complete.oslogˈcarm_complete.ossˈcarm_complete.shˈcarm_complete_hist.mvwˈcarm_complete.HM.ent.cmfˈcarm_complete.statㅹˈ䘉Ӌ Ԧarm_check.fem Ԧ ањⴞ ѝDŽ7. 䰝DOSデ ⛩ returnˈ䘋 ѫ㨌 DŽHyperViewѝḕⴻ㔃 ⨶䘝ԓѝˈ 㔃 㻛䗃 carm_complete_des.h3d ԦDŽ ˈ ㅜа⅑ а⅑䘝ԓѝ⇿⿽ ⲴDisplacement˄ս〫˅ Stress˄ ˅㔃 㻛唈䇔䗃 carm_complete_s#.h3d Ԧˈ䘉䟼”#” ⲴIDDŽл䶒 ӻ㓽 օ HyperViewѝḕⴻ㔃 DŽㅜ13↕˖ḕⴻ㔃1. Ԕデ ⴻ Process completed successfully ˈ⛩ 㔯㢢ⲴHyperView 䫞ˈ 㜭 HyperViewˈ 㠚 䖭 㔃 DŽ⁑ 㔃 Ԧ 䖭 HyperViewⲴ デ ⧠ˈ⌘ HyperViewⲴйњн 亥䶒ѝˈ 䖭 Ҷ3њ.h3d ԦDŽ2.⛩ Close 䰝 デ DŽḕⴻ⁑ Ⲵ ⣦ Ҿ 䗩⭼ Ԧ ↓⺞ ѹ ⁑ DŽㅜ1亥 Ո 㔃 ˈㅜ2ǃ3ǃ4亥 ԕḕⴻ 㔃 ˈ3.⛩ ḿNext page 䫞䘋 ла亥䶒DŽㅜ2亥 ⽪arm_complete_s1.h3d Ԧ㔃 DŽ⌘ ˈ↔亥 ѪSubcase 1 –brakeˈ 㔃 о brake DŽ4.⛩ ḿ 䫞Contour DŽ5.⛩ ◰⍫Result type:ḿㅜањл 㨌 䘹 Displacement [v]DŽ6.⛩ ◰⍫ㅜҼњл 㨌 ˈ 䘹 MagDŽ7.⛩ Apply ⽪ս〫Ӂ DŽ8.⛩ ḿ 䫞Deformed DŽ9. Result type:ḿѝ䘹 Displacement [v]ˈ Scale˖ḿѝ䘹 model unitsˈType˖ḿѝ䘹 UniformDŽ10. value: ḿѝ䗃 10ˈ ս〫Ѫ10њ⁑ սˈ ս〫 ∄ DŽ11. Undeformed shape˖л䶒⛩ Show Ⲵл 㨌 ˈ䘹 WireframeDŽ12.⛩ ApplyDŽデ ⧠Ҷ⁑ Ӂ ˈ㺘䶒 Ⲵ Ⲵ㖁ṬDŽ11 ս〫Ӂ13. 12 ⽪ ⭫⁑ ѝ䘹 Linear Static12 ⭫⁑ ㊫14.⛩ 㓯 䶉 ḷ ⁑ ⭫DŽ ⽪ㅜањ brake ⭫ˈ⌘ḷⲴ ˈ䈤 ⁑ DŽ䈧 㘳л 䰞仈˖˄1˅ ㅜањ лˈ Ⲵ䖭㦧 ӰѸ ˛˄2˅ њ㢲⛩Ⲵ㠚⭡ 㻛㓖 Ҷ˛˄3˅䗩⭼ Ԧ ⭘Ҿ㖁Ṭ ˈ ⣦ ↓⺞˛15. GUIⲴ 䜘ˈ⛩ Static Analysis Iteration 0˄ 13 ⽪˅ˈ◰⍫LoadCase and Simulation selection 䈍ṶDŽ13◰⍫Load Case and Simulation selection 䈍Ṷ16. Iteration 18䘹 ㅜ18⅑䘝ԓDŽӁ ⽪ㅜањ brakeⲴㅜ18⅑䘝ԓⲴս〫㔃 ˈ оՈ Ⲵ 䘝ԓ DŽ17. ⅑⛩ 㓯 䶉 ḷ → ⭫DŽ18.⛩ Next page ḷˈ䘋 ㅜ3亥DŽㅜ3亥 ⽪arm_complete_s12.h3d Ԧ㔃 DŽ⌘ ˈ↔亥 ѪSubcase 2 –cornerˈ 㔃 о corner DŽ19.䟽 2ˉ17↕ ⽪ㅜҼњ ⁑ Ӂ DŽ䈧 㘳л 䰞仈˖˄1˅ ㅜҼњ лˈ Ⲵ䖭㦧 ӰѸ ?˄2˅ њ㢲⛩Ⲵ㠚⭡ 㻛㓖 Ҷ?˄3˅䗩⭼ Ԧ ⭘Ҿ㖁Ṭ ˈ ⣦ ↓⺞?20.⭘ ṧⲴ ⌅ˈỰḕㅜйњ potholeⲴս〫 DŽㅜ14↕˖ḕⴻ 㔃 䶉ㅜ1亥䖭 Ⲵ Ո 䘝ԓ㔃 ˄ ˅DŽ1.⛩ Previous page ḷⴤ 亥䶒 ⽪ѪDesign Historyˈ↔亥㔃⇿а↕Ո 䘝ԓDŽ2.⛩ ḿContour 䫞DŽ3.⛩ ◰⍫Result type˖ḿㅜањл 㨌 ˈ䘹 Element Densities[s]DŽ⛩◰⍫ㅜҼњл 㨌 ˈ䘹 DensityDŽ4. Averaging method˖ḿѝ䘹 SimpleDŽ5.⛩ Applyˈ ⽪ Ӂ DŽ6.䘹 ḿDeformed 䫞DŽ7.⛩ Show˖ḿˈ䘹 Featuresˈӵ ⽪ 㖁ṬⲴ䗩⭼DŽ8. GUIⲴ 䜘ˈ⛩ Design 㘵Iteration 0ˈ◰⍫Load Case and Simulationselection 䈍ṶDŽ9. Iteration 18䘹 ㅜ18⅑䘝ԓDŽ⁑ ѝⲴ 䝽Ҷа⿽ 㢢 ˈ⭘Ҿ㺘⽪ ⅑䘝ԓѝ Ⲵ DŽ䈧 㘳л 䰞仈˖˄1˅ Ⲵ 䜭 䘁1 㘵0?˄2˅ ѝ䰤 Ⲵ ˄ ӻҾ0 1ѻ䰤˅ˈ 䴰㾱䈳 DISCRETEDŽ DISCRETE˄ optimization䶒 opti controlѝ䇮㖞˅ ⭘Ҿ ѝ䰤 Ⲵ 䎻 Ҿ1 㘵0ˈ Ҿ Ⲵ㔃 DŽ Ҿ ˈ⧠ Ⲵ㖁Ṭ 㔃 㓿䏣 DŽ㔃 䴰㾱 Ⲵ 䎻 Ҿ1.0ˈ㘼н䴰㾱 Ⲵ 䎻 Ҿ0.0DŽ˄3˅max =ḿѝ ⽪1.0e+00? ⺞ ↔DŽн ˈ Ո Ⲵ䘋〻н DŽ ԕ䘋㹼 Ⲵ䘝ԓ ˄ ˅ ⴞḷⲴ OBJTOLⲴ ˄ optimization䶒 opti controlѝ䇮㖞˅DŽ 䈳 Ҷ DISCRETEˈ ф˄ ˅ ⴞḷⲴ OBJTOLӽн㜭ӗ⭏ Ⲵ䀓˄⋑ Ⲵ Ѫ1.0˅ˈ⭘ 㜭䴰㾱ỰḕՈ 䰞仈Ⲵ䇮㖞DŽ ѹⲴаӋ㓖 㔉 Ⲵⴞḷ л 㜭 ⌅䗮 Ⲵ˄ ѻӖ❦˅DŽ。
32基于OptiStruct的结构优化设计方法--张胜兰
基于OptiStruct的结构优化设计方法张胜兰湖北汽车工业学院汽车工程系基于OptiStruct的结构优化设计方法张胜兰湖北汽车工业学院汽车工程系442002 湖北省十堰市车城西路167号摘要：最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术已逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。
本文总结了OptiStruct结构优化设计方法和特点，从优化设计三要素、迭代算法、灵敏度分析等方面阐述了基于有限元法的OptiStruct结构优化的数学基础，给出了OptiStruct结构优化设计流程和步骤。
关键词：结构优化，设计流程，有限元优化设计是以数学规划为理论基础，将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学理论，以计算机和应用软件为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下寻求满足预定目标的最佳设计。
有限元法（FEM）被广泛应用于结构分析中，采用这种方法，任意复杂的问题都可以通过它们的结构响应进行研究。
最优化技术与有限元法结合产生的结构优化技术逐渐发展成熟并成功地应用于产品设计的各个阶段。
Altair OptiStruct是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球先进的优化技术，提供全面的优化方法。
OptiStruct从1993年发布以来，被广泛而深入地应用到许多行业，在航空航天、汽车、机械等领域取得大量革命性的成功应用，赢得多个创新大奖。
一、OptiStruct结构优化方法简介OptiStruct是以有限元法为基础的结构优化设计工具。
它提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化，这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。
概念设计优化――用于概念设计阶段，采用拓扑（T opology）、形貌（Topography）和自由尺寸（Free Sizing）优化技术得到结构的基本形状。
详细设计优化――用于详细设计阶段，在满足产品性能的前提下采用尺寸（Size）、形状（Shape）和自由形状（Free Shape）优化技术改进结构。
汪小银_基于Altair HyperWorks热塑性复合材料车轮的轻量化设计及强度分析
基于Altair HyperWorks热塑性复合材料车轮的轻量化设计及强度分析Lightweight Design and Strength Analysis of Thermoplastic Composite Automotive WheelBased on Altair HyperWorks汪小银刘献栋单颖春摘要: 本文详细论述了使用Altair HyperWorks系列软件对热塑性复合材料车轮做概念设计、详细设计及强度分析的过程。
首先，采用OptiStruct对复合材料车轮做了多载荷工况下多设计空间和多目标的拓扑优化，实现了设计空间内材料的合理分布。
讨论了不同工况和目标权重因子的设置对拓扑结果的影响。
基于拓扑结构及加工工艺，对复合材料车轮结构进行了详细设计，包括采用预埋方式与车轮成为一整体的金属嵌件的设计。
采用HyperXtrude 模拟了注塑成型过程中材料的流动情况，获得了纤维的方向属性。
用RADIOSS求解器准确高效的仿真分析了复合材料车轮在三种工况下的承载情况。
结果表明，基于最大主应力失效准则，复合材料车轮有更大的安全裕量。
复合材料车轮重5.59kg，相比对标铝轮减重22.3%，轻量化效果明显。
本文的研究方法同样适用于其他热塑性复合材料制造而成的承载件。
关键词:热塑性复合材料，金属嵌件，Altair HyperWorks，OptiStruct，HyperXtrude Abstract:With the help of Altair HyperWorks, this paper constructs the design process and the strength analysis method of the long glass fiber reinforced thermoplastic composite (LGFT)wheel. Using OptiStruct, the multi-objective topology optimization under multiple design spaces and multiple loading cases is conducted to obtain the robust structure, where the complicated ribs generated in design spaces are quite distinct from conventional steel or aluminum alloy wheel. The effects of weighting factors of two objectives and three loading cases on the topological results are discussed. And the LGFT wheel including the aluminum alloy insert is also designed in detail based on the concept structure and molding process. The novel metallic insert molded-in is another typical feature of LGFT wheel. Using HyperXtrude, the injection moulding process is simulated to obtain the fiber directions. Capturing the material anisotropy, the strength performances of LGFT wheel are effectively calculated by the RADIOSS solver. The results show that there is larger safety margin than the baseline wheel based on the maximum stress failure criterion. The LGFT wheel of 5.59kg saves 22.3% weight compared to the aluminum alloy baseline. For the increasing requirement of automotivecomponents lightweight design, the method and consideration in this paper may also provide some ways for the design and strength analysis of other carrying structures made of thermoplastic composite.Key words:thermoplastic composite wheel, metallic insert, Altair HyperWorks，OptiStruct，HyperXtrude1 引言车轮是汽车不可或缺的关键安全零部件之一，除了承受垂直载荷外，还要承受因车辆起动、制动和行驶过程中转弯以及路面冲击等产生的多向动态载荷。
Altair Optistruct优化技术
Altair OptiStruct优化技术Optistruct是一款优秀的结构有限元分析和优化求解器，支持几乎所有的隐式分析功能，包括线性和非线性静力分析、模态分析、频响分析、随机振动分析、瞬态响应分析、屈曲分析以及疲劳分析。
与其他隐式求解器相比，Optistruct最大的优势在于其全面的优化技术。
一、Optistruct优化方法Optistruct具备六种基本优化方法，分别是拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、自由尺寸优化、形状优化和自由形状优化，是业界能力最强的有限元优化工具。
拓扑优化（topology）拓扑优化是一种被广泛应用的基础优化技术，其优化的设计变量是单元密度，并且最终单元密度的优化结果只有0和1两个离散取值。
但是HyperView的后处理技术提供一个阀值，让用户最终决定单元是删除还是保留。
形貌优化（toporaphy）形貌优化是一种专用于壳单元的结构优化方法，通过在壳单元上起筋的方式来提高壳体的结构刚度，因此形貌优化在一些软件中也被称为筋优化。
尺寸优化现在也称参数优化，是将有限元模型中材料属性、单元属性和载荷属性进行参数化后寻求最优结果的方法。
原先OPT尺寸优化只支持壳单元厚度优化、梁单元截面尺寸优化，现在已扩展到支持材料属性、载荷属性多种参数，因此现在的参数优化叫法也更加准确。
自由尺寸优化（Free size）自由尺寸优化是针对壳单元的一种密度优化方法，与壳单元的拓扑优化类似。
不同之处在于，自由尺寸优化可以得到厚度连续变化的壳单元结果。
这一优化技术主要用于确定复合材料的厚度，因为目前主要只有复合材料铺层工艺会关心壳体不同位置的厚度，其它常规工艺，如冷成型，其零件厚度基本由坯料厚度决定，对其做自由尺寸优化意义不大。
此外，Optistruct还提供Composite size和Composite shuffle两种专用于复合材料的优化方法，可对复合材料每个铺层的厚度和方向进行优化。
Optistruct的形状优化依托HyperMorph强大的网格变形功能，其原理是先对网格进行变形得到变形体，对其保存并定义成形状变量，优化的过程是在原始体与变形体之间寻找最优的变形方案，变形体相当于单元变形的边界约束。
135_基于OptiStruct的机身前段总体优化_刘清颖
Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集基于 OptiStruct 的机身前段总体优化刘清颖 刘伟 西安 710089中航工业西飞技术中心结构定义室摘要： Altair 公司的 HyperWorks 软件已广泛地应用于航空工业结构优化并已得到认可。
在新涡桨支线飞机研制中， 采用 OptiStruct 求解器对机身前段两种设计方案进行了总体结构分 析与尺寸优化，并对其结果进行对比分析，为机身前段结构详细设计提供参考。
关键词：HyperWorks，OptiStruct，尺寸优化，机身前段0 概述新涡桨飞机是一型全新研制的涡桨支线飞机， 要求性能优异、 具有良好经济性和航线适 应性，使其成为今年具有国际市场竞争力的先进国产涡桨支线飞机。
为了实现以上目标，对 新涡桨飞机结构重量指标提出了更高的要求。
长寿命、轻重量、高可靠性的结构设计，是满 足这一设计要求的关键技术之一。
机身前段结构复杂，协调关系多，结构受载复杂，作为气密舱除承受气密载荷外，顶部 壁板、风挡玻璃及其支承结构必须具有抗鸟撞能力，前起落架舱结构还需承受起落架载荷。
为了满足重量、强度、刚度要求，提高结构抗鸟撞能力，降低飞机研制风险，对机身前段结 构进行分析与优化设计是非常必要的。
OptiStruct求解器具有强大的优化功能，其尺寸优化可以对有限元模型的各种参数进行 优化，从而实现减重的目的。
而且尺寸优化支持离散优化，即优化出来的尺寸为离散数值， 可以直接满足设计中的选材要求。
本文采用 OptiStruct 求解器具对机身前段两种设计方案进行分析， 选择对机身前段整体 强度和刚度贡献大的框、长桁和蒙皮来进行总体的尺寸优化，使其在满足机身前段强度、刚 度的情况下重量最轻。
并对两种方案优化结果进行对比，确定出供后续详细设计参考方案。
1. 优化问题1.1. 优化问题的数学表达大多数结构优化都以有限元法为基础。
首先用到的方法是尺寸优化，如壳单元的厚度 和梁单元的截面特性被设计成变量。
OptiStruct结构优化技术的最新发展及应用
OptiStruct结构优化技术的最新发展及应用作者：洪清泉曾神昌张攀摘要：结构优化技术近年来在学术研究和商业软件开发方面都是一个热点，特别是美国Altair 公司的OptiStruct结构优化软件，领先却仍不断进取，其优化能力从静态发展到动态，从线性发展到非线性，从金属发展到复合材料，其应用领域从传统的汽车行业发展到航空、船舶、电子、建筑等行业，为工业界提供了强大的创新及轻量化设计工具，取得了大量工程成果。
关键字：结构优化，动态优化，非线性优化，复合材料优化，Altair，OptiStruct1 概述结构优化技术是当前CAE技术发展的一个热点，在学术研究领域，变密度法、均匀化法、水平集法以及各种准则法等百家争鸣。
相关商业软件的开发也很快，比较知名的有美国Altair 公司的OptiStruct，德国FE-DESIGN公司的Tosca，日本Quint公司的OptiShape，以及美国MSC公司的Nastran等。
结构优化技术在工业界的应用也逐渐成熟。
从行业角度来讲，从早期的汽车零部件轻量化设计和飞机机身机翼的板、杆、梁及蒙皮尺寸优化，迅速发展到汽车、飞机和船舶的结构布局优化，电子产品的结构件及连接优化，建筑物和土木工程的结构布置等。
从性能的角度来讲，早期主要是考虑金属零部件的线性静态和模态性能指标，如应力、应变、位移、频率等，现在已经拓展到金属和复合材料零部件的振动噪声性能、碰撞安全性能、疲劳性能、动态激励下的性能等。
下面以Altair OptiStuct为例介绍结构优化方法、功能及应用。
2 OptiStruct软件介绍OptiStruct是美国Altair公司的旗舰产品，是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法。
OptiStruct采用密度法（SIMP）求解拓扑优化问题，基于数学规划法的优化框架，是目前公认最为稳健高效的方法，能够解决绝大多数工程问题。
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基于Altair OptiStruct的复合材料优化技术
Altair OptiStruct是一个是以有限元法为基础，面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，提供最全面的优化方法，包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化。
这些方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优化，其稳健高效的优化算法允许在模型中定义上百万个设计变量，支持常见的结构响应，包括：位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、结构柔度、以及各响应量的组合等。
此外，OptiStruct提供了丰富的参数设置，包括优化求解参数和制造加工工艺参数等，方便用户对整个优化过程进行控制，确保优化结果便于加工制造，从而极其具有工程实用价值。
OptiStruct自从1993年发布以来，被广泛而深入地应用到各行各业，在航空航天、汽车、机械等领域取得了大量革命性的成功应用，赢得了多个创新大奖。
特别是在金属结构件优化方面，OptiStruct的技术已经非常成熟，目前欧洲和美国几乎所有的正在研发的汽车和飞机都采用了结构优化技术，进行了大量的系统级布局优化，零部件减重和性能提高设计。
目前，复合材料以其比强度、比模量高，耐腐蚀、抗疲劳、减震、破损安全性能好等优点，在工业界取得了越来越多的应用，特别是在航空航天方面，由于钢铁和有色合金很难满足日趋苛刻的重量，力学等设计性能要求，复合材料更是得到了广泛的应用，例如波音787飞机超过50％重量的零部件采用复合材料制造。
图1 波音787飞机材料分布
OptiStruct提供了从金属到复合材料的完整的优化解决方案，特别是其最新版本9.0，支持从最初的零件结构样式，到铺层形状和厚度分布，到铺层角度和层数的优化，到最终铺层层叠次序的各个阶段的优化设计方法，可以考虑各铺层的应力、应变、失效，屈曲等性能约束，提供了前所未有的复合材料优化解决方案，包括以下四个阶段：
拓扑优化
拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑/布局问题转化为在给定的设计区域内寻求材料最优分布的问题。
OptiStruct可以在给定的设计空间内，在给定的载荷边界条件下，找到满足性能指标的最佳的材料分布，从而确定出最佳的结构形式。
例如，在矩形设计空间内，承受弯矩的最佳结构样式是工字型梁，承受扭矩的最佳结构样式是矩形管梁。
图2 最佳结构样式
图3 挂钩的拓扑优化设计
自由尺寸优化
利用拓扑优化找出最佳的零部件结构样式后，根据该样式初步设计出零件，然后进行自由尺寸优化。
自由尺寸优化适合于用壳单元建模的零件，对金属零件而言，每个单元的厚度就是一个变量，其厚度可在某个范围之间连续变化，如下图所示：
图4 自由尺寸优化的厚度变量
自由尺寸优化可以应用到复合材料的优化设计中。
将复合材料建模为角度一定（0、45、－45、90 etc.）的几个超级层（相对于实际厚度很薄的单个铺层而言），此时每个单元的每一超级层都是一个厚度变量，优化后可以得到其最佳厚度。
图5 复合材料单元的不同角度超级层的厚度变量
有了每个单元每个超级层的最佳厚度，就可以得到整个零件的每个超级层的厚度分布，例如，一端固定，另一端中点施加集中载荷的复合材料板，采用4种角度超级层建模，优化后其各角度超级层的厚度分布如下所示。
图6 4个超级层的厚度云图分布
每个角度超级层的厚度分布是不均匀的，需要由一些不同形状的铺层块层叠而成，例如，从0度超级层的厚度分布信息可以得到4种铺层块形状。
不同铺层块形状可以通过裁剪得到。
图7 0度超级层可以由4种铺层块组成
尺寸优化
尺寸优化可以对有限元模型的各种参数，例如板的厚度、梁截面尺寸、材料属性等进行优化。
在得到各角度超级层的铺层块形状之后，对复合材料进行重新建模，将每种形状的铺层块重新建成一个超级层，优化得到每种形状的具体厚度，除以实际铺层的厚度，就可以得到每种角度每种形状的铺层的数目了。
图8 每种角度每种形状的实际铺层数目
铺层层叠次序优化
有了每种角度每种形状的实际铺层数目，接下来就要优化实际铺层层叠的次序，从而最终制造出复合材料
零件。
确定铺层次序时，需要考虑铺层对称性、每种铺层的最大层叠数目等，HyperShuffle模块可以自动确定最佳的铺层层叠次序，满足复合材料制造工艺约束。
图9 HyperShuffle自动确定最佳的铺层层叠次序
实际应用
目前，该创新的复合材料优化技术已经得到了众多客户的认可，例如，空中客车公司将该技术应用于A350飞机的机翼设计中。
图10 机翼上下翼面的复合材料优化
总结
Altair OptiStruct9.0具有完整的复合材料优化设计解决方案，通过综合应用拓扑优化、自由尺寸优化、尺寸优化、铺层层叠次序优化等技术，提供了从最初的零件结构样式，到铺层形状和厚度分布，到铺层角度和层数的确定，到最终铺层层叠次序的各个阶段的优化设计方法，为复合材料零件的设计提供了创新的，符合工程实际的方法。
作者简介
洪清泉，Altair公司优化应用专家，北京理工大学车辆工程专业毕业，曾工作于上海飞机设计研究所，在汽车和飞机结构分析和优化方面具有丰富经验。
邬旭辉，Altair公司航空行业应用专家，毕业于浙江大学工程力学系。
毕业后加入上海飞机设计研究所，从事ARJ21飞机的强度分析工作。
后加入ALTAIR公司后从事汽车结构安全分析、航空行业优化应用支持等工作。